رایانه‌های کوانتومی یک مشکل اساسی دارند: این دستگاه‌های پیشرفته با وجود توانایی چشمگیر در انجام محاسبات، به‌راحتی دچار خطا می‌شوند. این ماشین‌های شگفت‌انگیز ممکن است روزی مسائلی را حل کنند که حتی قدرتمندترین ابررایانه‌های معمولی نیز از پس آن‌ها برنمی‌آیند. با این حال، حالت‌های کوانتومی که قدرت محاسباتی فوق‌العاده‌ای به آن‌ها می‌بخشند، بسیار شکننده هستند
رایانه‌های کوانتومی یک مشکل اساسی دارند: این دستگاه‌های پیشرفته با وجود توانایی چشمگیر در انجام محاسبات، به‌راحتی دچار خطا می‌شوند.
این ماشین‌های شگفت‌انگیز ممکن است روزی مسائلی را حل کنند که حتی قدرتمندترین ابررایانه‌های معمولی نیز از پس آن‌ها برنمی‌آیند. با این حال، حالت‌های کوانتومی که قدرت محاسباتی فوق‌العاده‌ای به آن‌ها می‌بخشند، بسیار شکننده هستند و کنترل خطاهایشان چالشی بزرگ به شمار می‌رود.
در واقع، یک رایانه کوانتومی کاملاً کاربردی ممکن است بخش عمده منابع خود را نه برای انجام محاسبات، بلکه برای اطمینان از صحت نتایج اختصاص دهد.
اکنون پژوهشگران گوگل روش تازه‌ای برای کاهش خطا در محاسبات کوانتومی معرفی کرده‌اند. این فناوری که پرورش حالت‌های جادویی نام دارد، می‌تواند یکی از موانع مهم پیش روی توسعه رایانه‌های کوانتومی را برطرف کند.
پژوهشگران در مقاله‌ای که در نشریه ساینس منتشر شده، نوشته‌اند:
نتایج آزمایش‌های ما نشان می‌دهند که پرورش حالت‌های جادویی می‌تواند راهکاری عملی برای مقابله با یکی از مهم‌ترین چالش‌های محاسبات کوانتومی باشد.
حالت‌های جادویی چگونه به رایانه‌های کوانتومی کمک می‌کنند؟
رایانه‌های کوانتومی توانایی‌های منحصربه‌فرد خود را از قوانین عجیب فیزیک حاکم بر ذرات در کوچک‌ترین مقیاس‌ها به دست می‌آورند. در رایانه‌های معمولی، بیت‌ها اطلاعات را به شکل یکی از دو حالت صفر یا یک نمایش می‌دهند؛ اما بیت‌های کوانتومی که کیوبیت نام دارند، می‌توانند تا پیش از اندازه‌گیری در برهم‌نهی این دو حالت قرار بگیرند. اندازه‌گیری باعث فروپاشی برهم‌نهی می‌شود و در نهایت یک نتیجه مشخص به دست می‌آید.
حساسیت این وضعیت کوانتومی هم نقطه قوت و هم نقطه ضعف آن محسوب می‌شود. حالت‌هایی که قدرت محاسباتی این دستگاه‌ها را افزایش می‌دهند، در برابر کوچک‌ترین اختلالات محیطی آسیب‌پذیر هستند. در نتیجه، خطاها ممکن است به‌سرعت افزایش پیدا کنند و محاسبات را مختل سازند.
برای مهار این خطاها، رایانه‌های کوانتومی به سامانه‌های پیچیده تصحیح خطا نیاز دارند. این سامانه‌ها از چندین کیوبیت فیزیکی برای محافظت از اطلاعات ذخیره‌شده در یک کیوبیت منطقی استفاده می‌کنند.
با وجود این لایه حفاظتی، مشکل دیگری همچنان باقی می‌ماند. برخی عملیات موردنیاز برای محاسبات پیچیده کوانتومی، بسیار دشوارتر از سایر عملیات‌ها اجرا می‌شوند و دستیابی به دقت بالا در آن‌ها کار ساده‌ای نیست.
فیزیک‌دانان برای حل این مشکل، مفهوم حالت‌های جادویی را مطرح کردند. این حالت‌ها وضعیت‌های کوانتومی ویژه‌ای هستند که از قبل آماده می‌شوند و به رایانه اجازه می‌دهند عملیات کوانتومی دشوار را بدون به خطر انداختن سازوکار تصحیح خطا انجام دهد.
با این حال، هر حالت جادویی فقط یک بار قابل استفاده است. به همین دلیل، رایانه کوانتومی برای ادامه محاسبات به تأمین مداوم حالت‌های جادویی تازه نیاز دارد.
تولید این حالت‌ها نیز به‌خودی‌خود دشوار است. هنگام آماده‌سازی آن‌ها احتمال بروز خطا وجود دارد و پژوهشگران تاکنون عمدتاً از روشی به نام تقطیر حالت‌های جادویی استفاده کرده‌اند. در این روش، مجموعه‌ای از حالت‌های جادویی ناقص پردازش می‌شوند تا تعداد کمتری حالت با قابلیت اطمینان بالاتر به دست آید.
این روش مؤثر به نظر می‌رسد، اما به سخت‌افزار کوانتومی گسترده و زمان پردازش قابل‌توجهی نیاز دارد.
روش جدید گوگل برای پرورش حالت‌های جادویی
پژوهشگران گوگل در سال ۲۰۲۴ کار روی ایده‌ای تازه با عنوان پرورش حالت‌های جادویی را آغاز کردند. برای درک تفاوت این روش با شیوه‌های قبلی، می‌توان آن را با پرورش گیاهان در گلخانه مقایسه کرد. در روش تقطیر حالت‌های جادویی، تصور کنید گلخانه‌ای پر از بوته‌های گل رز پرورش می‌دهید و سپس از میان آن‌ها تعداد محدودی گل ممتاز انتخاب می‌کنید.
اما در روش پرورش حالت‌های جادویی، به‌جای پرورش تعداد زیادی گیاه، تنها یک گیاه را انتخاب می‌کنید و با مراقبت و هرس دقیق در طول رشد، آن را به بهترین وضعیت ممکن می‌رسانید. اگر در هر مرحله مشکلی پیش بیاید، گیاه کنار گذاشته می‌شود و فرایند با یک بذر تازه از ابتدا آغاز خواهد شد.
در نهایت، یک گیاه بسیار باکیفیت به دست می‌آید، بدون آنکه به گلخانه‌ای بزرگ نیاز داشته باشید. هدف این روش لزوماً تولید حالت جادویی بهتر از روش‌های متداول نیست، بلکه دستیابی به حالتی با کیفیت مشابه و صرف منابع کمتر است.
اکنون تیم گوگل این ایده را روی پردازنده کوانتومی ویلو آزمایش کرده و به نتایج امیدوارکننده‌ای دست یافته است. پژوهشگران با استفاده از پرورش حالت‌های جادویی، خطاهای مرحله آماده‌سازی را حدود ۴۰ برابر کاهش دادند و موفق شدند حالت‌هایی با وفاداری حداقل ۹۹٫۹۹ درصد تولید کنند. وفاداری در اینجا معیاری برای سنجش میزان تطابق حالت کوانتومی تولیدشده با حالت مطلوب است.
البته دستیابی به چنین دقتی هزینه‌ای نیز داشت. پژوهشگران در سخت‌گیرانه‌ترین آزمایش‌ها ناچار شدند بیشتر تلاش‌های خود را کنار بگذارند و تنها حدود ۸ درصد از نتایج را حفظ کنند.
یک مشکل غیرمنتظره و راهکاری تازه برای اندازه‌گیری
در جریان آزمایش‌ها، اتفاق عجیب دیگری نیز رخ داد که به یک پیشرفت کوچک اما مهم منجر شد.
برای اثبات کارآمدی یک فناوری کوانتومی، پژوهشگران باید نشان دهند که روش موردنظر واقعاً نتیجه مطلوب را ایجاد کرده است. این کار درباره حالت‌های جادویی پرورش‌یافته دشوارتر خواهد بود؛ زیرا اندازه‌گیری دقیق حالتی که خطاهای بسیار کمی دارد، چالش‌های خاص خود را به همراه می‌آورد.
به گفته گوگل در یک مطلب وبلاگی، هنگامی که اِما روزنفلد، فیزیک‌دان کوانتومی این شرکت، برای نخستین بار روش پرورش حالت‌های جادویی را آزمایش کرد، نتایج به‌دست‌آمده ظاهراً با قوانین فیزیک سازگار نبودند.
بررسی علت این مشکل چند ماه طول کشید. سرانجام مشخص شد که ایراد از شیوه اندازه‌گیری وفاداری حالت کوانتومی ناشی می‌شود. نوسانات جزئی در تجهیزات آزمایشگاهی، از جمله تغییرات دما، نویز ایجاد می‌کردند و باعث می‌شدند روش معمول اندازه‌گیری تیم پژوهشی دیگر قابل‌اعتماد نباشد.
پژوهشگران در نهایت روشی تازه با نام توموگرافی پس‌زنی ابداع کردند. این تکنیک به آن‌ها اجازه داد میزان قابلیت اطمینان حالت‌های پرورش‌یافته را بدون تأثیر اعوجاج‌هایی ارزیابی کنند که اندازه‌گیری‌های قبلی را مختل کرده بودند.
در مرحله بعد، تیم پژوهشی نشان داد که حالت جادویی پرورش‌یافته را می‌توان به یک کد تصحیح خطای کوانتومی بزرگ‌تر انتقال داد. این دستاورد گامی اساسی برای استفاده عملی از این حالت‌ها در محاسبات کوانتومی به شمار می‌رود.
البته آزمایش کاملاً بی‌نقص نبود؛ زیرا انتقال حالت به کد بزرگ‌تر، خطاهای اضافی ایجاد کرد. برطرف کردن این مشکل یکی از مراحل بعدی پژوهش خواهد بود.
با این وجود، نتایج نشان می‌دهند که پرورش حالت‌های جادویی روی سخت‌افزار واقعی کوانتومی نیز امکان‌پذیر است. این روش می‌تواند جایگزینی امیدوارکننده برای شیوه‌های پرهزینه و نیازمند منابع فراوان باشد که پژوهشگران تاکنون به آن‌ها متکی بوده‌اند.
پژوهشگران در جمع‌بندی مقاله خود نوشته‌اند:
در نهایت، این یافته‌ها پرورش حالت‌های جادویی را از یک مطالعه نظری به واقعیتی آزمایشگاهی تبدیل می‌کنند و مسیری عملی برای دستیابی به محاسبات منطقی همه‌منظوره در پردازنده‌های ابررسانا فراهم می‌آورند.
نتایج این پژوهش در نشریه علمی ساینس منتشر شده است.